대량 생산 가능한 소형 분광기 개발

대량 생산 가능한 소형 분광기 개발

- 적은 수의 필터로 고해상도 실현... 웨이퍼 증착 공정을 통한 필터 배열 대량 생산으로 비용 절감   

□ 국내 연구진이 피부 상태 자가 진단, 실시간 물질 탐지 등에 사용될 수 있는 분광기의 해상도를 높이고 대량 생산할 수 있는 기술을 개발했다.  

□ 지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 전기전자컴퓨터공학부 이흥노 교수 연구팀은 기존 필터 배열 방식 분광기의 저해상도 문제점을 수학적 계산 기술로 보완하여 가시광선/초근적외선 범위의 넓은 파장 범위에서 동작하는 고해상도 소형 분광기를 개발했다.

 ∘ 분광기는 파장에 따른 빛의 세기를 측정하는 기구로, 물질을 통과하거나 반사된 빛의 특성을 분석할 수 있어 다양한 연구 및 산업 분야에 활용된다. 하지만 높은 가격과 부피가 크다는 단점 때문에 실생활에 이용하는데 한계가 있다.

□ 연구팀은 특정 파장 범위의 빛만 투과하도록 제작되는 밴드패스 형태의 광학 필터와 달리, 하나의 광학 필터가 여러 파장 영역의 빛을 감지하도록 설계/제작했다. 이러한 필터 36개를 배열 형태로 만들었으며, 이 배열을 CMOS 이미지 센서 위에 부착하여 500 – 850 nm 파장 대역의 빛의 세기를 측정하는데 성공했다. 

 ∘ CMOS 이미지 센서를 통해 측정된 36개의 빛의 세기를 수학적 최적화 기술을 활용하여 500 – 850 nm 파장 범위 350개의 분광 정보로 복원했다. 단색광, LED 광원, 할로겐 광원 등 다양한 광원에 대한 분광 성능을 광학 실험을 통해 검증했다.

□ 연구팀이 제작한 분광기는 작고 가벼워 피부 자가 진단, 실시간 물질 탐지 등을 위한 휴대용 분광기로 사용할 수 있다. 또한, 웨이퍼 증착 공정을 통한 필터 배열 대량 생산이 가능함에 따라 고성능의 소형분광기를 낮은 가격에 제작할 수 있을 것으로 기대된다. 

 ∘ 기존의 계산 분광기를 위한 필터 배열 제작 방식은 균일한 필터 배열을 생산하는 데 어려움이 있었다. 그림자 마스크를 이용하는 스텐실 리소그래피 기술을 활용하여 36개의 배열을 균일하게 대량으로 생산할 수 있었다.

□ 이흥노 교수는 “이번 연구를 통해 대량 생산이 가능한 계산 분광기를 만드는데 성공했다”면서, 연구성과의 후속으로 “기술사업화를 위해 투자를 유치하고 전 세계 수출을 목표로 휴대폰에 카메라처럼 탑재 가능한 모듈을 만들고자 한다”고 밝혔다. 

□ 전기전자컴퓨터공학부 이흥노 교수(교신저자)가 주도하고, 김철순 연구원(제1저자)이 참여한 이번 연구성과는 한국연구재단 재원으로 도약연구지원사업의 지원을 받아 수행되었으며, 국제학술지‘Scientific Reports’에 2022년 3월 8일 온라인 게재되었다.  <끝>  

논문의 주요 내용

1. 논문명, 저자정보 

 - 저널명 : Scientific Reports,　Journal Impact Factor: 4.380 (20년 기준)

 - 논문명 : Mass production-enabled computational spectrometers based on multilayer thin films 

 - 저자 정보 : Cheolsun Kim(제1저자, GIST 전기전자컴퓨터 박사 졸업), Pavel Ni(공저자, GIST 전기전자컴퓨터 박사 졸업), Kang Ryeol Lee (공저자, ㈜에스엔아이), and Heung-No Lee(교신저자, GIST 교수)